JPH0660982B2 - 導波形マツハ・ツエンダ光干渉計 - Google Patents
導波形マツハ・ツエンダ光干渉計Info
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- JPH0660982B2 JPH0660982B2 JP29522686A JP29522686A JPH0660982B2 JP H0660982 B2 JPH0660982 B2 JP H0660982B2 JP 29522686 A JP29522686 A JP 29522686A JP 29522686 A JP29522686 A JP 29522686A JP H0660982 B2 JPH0660982 B2 JP H0660982B2
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- Japan
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- optical
- waveguide
- mach
- interferometer
- zehnder
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、入射光の偏光方向にかかわらず安定動作の可
能な導波形マッハ・ツェンダ光干渉計に関するものであ
る。
能な導波形マッハ・ツェンダ光干渉計に関するものであ
る。
2個の光結合器、例えば方向性結合器を2本の光導波路
で連結して構成される光干渉計はマッハ・ツェンダ光干
渉計と呼ばれ、光スイッチや光センサ、さらに最近では
周波数多重光通信合分波器などに使用されている。この
マッハ・ツェンダ光干渉計は、その構成により、(1)
バルク形,(2)ファイバ形,(3)導波形の3種類に
分類できるが、信頼性,生産性,小形軽量性等の理由か
ら平面基板上に構成する導波形のものが最有望視されて
いる。
で連結して構成される光干渉計はマッハ・ツェンダ光干
渉計と呼ばれ、光スイッチや光センサ、さらに最近では
周波数多重光通信合分波器などに使用されている。この
マッハ・ツェンダ光干渉計は、その構成により、(1)
バルク形,(2)ファイバ形,(3)導波形の3種類に
分類できるが、信頼性,生産性,小形軽量性等の理由か
ら平面基板上に構成する導波形のものが最有望視されて
いる。
また、マッハ・ツェンダ光干渉計は、光路構成面から、
(a)対称形と(b)非対称形に分類することもでき
る。対称形は2個の光結合器を連結する2本の光導波路
の長さが等しいいものであり、非対称形は故意にそれら
の長さに差を与えたものである。
(a)対称形と(b)非対称形に分類することもでき
る。対称形は2個の光結合器を連結する2本の光導波路
の長さが等しいいものであり、非対称形は故意にそれら
の長さに差を与えたものである。
第3図は、光周波数多重合分波器への応用を目的に構成
された従来の非対称導波形光干渉計の構成の説明図であ
り、(a)は平面図,(b)は(a)図における線分A
A′に沿っての断面拡大図である。
された従来の非対称導波形光干渉計の構成の説明図であ
り、(a)は平面図,(b)は(a)図における線分A
A′に沿っての断面拡大図である。
図において、シリコン基板1上に石英系ガラス材料によ
り形成された方向性結合器2,3は、近接した2本の石
英系単一モード光導波路からなり、その結合率はいずれ
もほぼ50%になるように設定されている。また、方向
性結合器2,3の間を連結する2本の光導波路4,5は
長さがΔLだけ異なっている。
り形成された方向性結合器2,3は、近接した2本の石
英系単一モード光導波路からなり、その結合率はいずれ
もほぼ50%になるように設定されている。また、方向
性結合器2,3の間を連結する2本の光導波路4,5は
長さがΔLだけ異なっている。
このようなマッハ・ツェンダ形光干渉計では、入力ポー
ト1aから入射した信号光の光周波数を変化させていく
と、 (cは光速,nは光導波路の屈折率) を周期として出力ポート1b,2bに交互に信号光を取
り出すことが知られている。したがって、例えば、1.
55μm帯において、Δf=10GHzだけ光周波数間隔
の離れた2本の信号光f1,f2を入力ポート1aから
同時に入射させると、上式に従ってΔL≒10mmに設定
しておくと、出力ポート1b,2bに2つの信号光
f1,f2を分離してとり出すことができる。実際には
マッハ・ツェンダ光干渉計の上述の周期を信号光f1,
f2の周波数値と同期させ、希望の出力ポートに、希望
の信号光を取り出すために、一方の光導波路5の上部に
は、光導波路5の実効的な光路長を熱光学効果によって
1波長程度変化させるための移相器として薄膜ヒータ6
が形成されており、第3図の光干渉計は全体として光周
波数多重合分波器として機能する。
ト1aから入射した信号光の光周波数を変化させていく
と、 (cは光速,nは光導波路の屈折率) を周期として出力ポート1b,2bに交互に信号光を取
り出すことが知られている。したがって、例えば、1.
55μm帯において、Δf=10GHzだけ光周波数間隔
の離れた2本の信号光f1,f2を入力ポート1aから
同時に入射させると、上式に従ってΔL≒10mmに設定
しておくと、出力ポート1b,2bに2つの信号光
f1,f2を分離してとり出すことができる。実際には
マッハ・ツェンダ光干渉計の上述の周期を信号光f1,
f2の周波数値と同期させ、希望の出力ポートに、希望
の信号光を取り出すために、一方の光導波路5の上部に
は、光導波路5の実効的な光路長を熱光学効果によって
1波長程度変化させるための移相器として薄膜ヒータ6
が形成されており、第3図の光干渉計は全体として光周
波数多重合分波器として機能する。
しかし、この従来の導波形光干渉計では以下のような問
題点があった。すなわち、シリコン基板1とその上に形
成された光導波路4,5との熱膨張係数が異なることか
ら、光導波路は基板と平行方向の圧縮応力を受け、その
ため応力複屈折性を有することになり、実効屈折率nが
入射光の偏光方向によってわずかに異なる。したがっ
て、入射光の偏光方向をいずれか一方に合わせておかな
いと、光周波数多重合分波器としての動作が全く不能に
なるという問題があった。
題点があった。すなわち、シリコン基板1とその上に形
成された光導波路4,5との熱膨張係数が異なることか
ら、光導波路は基板と平行方向の圧縮応力を受け、その
ため応力複屈折性を有することになり、実効屈折率nが
入射光の偏光方向によってわずかに異なる。したがっ
て、入射光の偏光方向をいずれか一方に合わせておかな
いと、光周波数多重合分波器としての動作が全く不能に
なるという問題があった。
本発明は、従来の導波形光干渉計の欠点を解決し、入射
光の偏光方向に依存しない導波形マッハ・ツェンダ光干
渉計を提供することにある。
光の偏光方向に依存しない導波形マッハ・ツェンダ光干
渉計を提供することにある。
前記従来技術の問題点を解決する方法としては、光導波
路の複屈折を零にすることがまず考えられるが、平面基
板上に形成される光導波路において複屈折を零にするこ
とは作製上極めて困難である。これに対し、本発明はむ
しろ光導波路の複屈折の存在を認めて実効的にマッハ・
ツェンダ光干渉計の偏光依存性を解消するものである。
路の複屈折を零にすることがまず考えられるが、平面基
板上に形成される光導波路において複屈折を零にするこ
とは作製上極めて困難である。これに対し、本発明はむ
しろ光導波路の複屈折の存在を認めて実効的にマッハ・
ツェンダ光干渉計の偏光依存性を解消するものである。
基板に垂直な偏光方向を有するTM波と基板に平行な偏
光方向を有するTE波の実効屈折率の差を複屈折値Bと
すると、偏光方向に依る光導波路4,5(第3図)の光
路長差Rは次式で与えられる。
光方向を有するTE波の実効屈折率の差を複屈折値Bと
すると、偏光方向に依る光導波路4,5(第3図)の光
路長差Rは次式で与えられる。
R=∫Bdl1−∫Bdl2 …(1) ここで、l1,l2はそれぞれ2本の光導波路4,5に
沿う線座標である。また、∫∫Bdl1と∫∫Bdl2
はB値のそれぞれの光導波路に沿う線積分値であり、積
分範囲は、方向性結合器2から方向性結合器3までであ
る。
沿う線座標である。また、∫∫Bdl1と∫∫Bdl2
はB値のそれぞれの光導波路に沿う線積分値であり、積
分範囲は、方向性結合器2から方向性結合器3までであ
る。
本発明は、Rが使用光の波長の整数倍値(0を含む)に
なるようにB値を局所的に調節しておくことを最大の特
徴としている。すなわち、光波長λの整数倍の光位相差
はマッハ・ツェンダ光干渉計では識別できないことか
ら、見掛け上、TM波の干渉条件とTE波の干渉条件と
が一致することに着目したものである。B値の局所的調
節は、具体的には少なくとも一方の光導波路に沿ってこ
の光導波路の両側に応用調節溝を設けることによりなさ
れる。
なるようにB値を局所的に調節しておくことを最大の特
徴としている。すなわち、光波長λの整数倍の光位相差
はマッハ・ツェンダ光干渉計では識別できないことか
ら、見掛け上、TM波の干渉条件とTE波の干渉条件と
が一致することに着目したものである。B値の局所的調
節は、具体的には少なくとも一方の光導波路に沿ってこ
の光導波路の両側に応用調節溝を設けることによりなさ
れる。
このような設定により、従来問題であったTM波の分離
条件とTE波の分離条件とのずれは解消し、同一の薄膜
ヒータ移相器駆動条件で、マッハ・ツェンダ光干渉計は
入射後の偏光状態に依らず光周波数多重合分波器として
同一の動作をすることができるようになる。
条件とTE波の分離条件とのずれは解消し、同一の薄膜
ヒータ移相器駆動条件で、マッハ・ツェンダ光干渉計は
入射後の偏光状態に依らず光周波数多重合分波器として
同一の動作をすることができるようになる。
以下、本発明を実施例によって詳細に説明する。以下に
示す図中に同じ符号によって示された要素は同じものを
表している。
示す図中に同じ符号によって示された要素は同じものを
表している。
〔実施例1〕 第1図は、本発明の第1の実施例を説明する図であっ
て、(a)は導波形マッハ・ツェンダ光干渉計の平面
図、(b)は(a)図における線分AA′に沿った断面
拡大図である。この図に示した実施例のマッハ・ツェン
ダ光干渉計と第3図に示した従来例のマッハ・ツェンダ
光干渉計とは、光導波路4の一部に、光導波路4の応力
複屈折値を局所的に変化させるための応力調節溝21
a、21bが形成されている点で異なる。
て、(a)は導波形マッハ・ツェンダ光干渉計の平面
図、(b)は(a)図における線分AA′に沿った断面
拡大図である。この図に示した実施例のマッハ・ツェン
ダ光干渉計と第3図に示した従来例のマッハ・ツェンダ
光干渉計とは、光導波路4の一部に、光導波路4の応力
複屈折値を局所的に変化させるための応力調節溝21
a、21bが形成されている点で異なる。
本実施例では、厚さ0.7mmのシリコン基板1の上に厚
さ50μmの石英系ガラスクラッド層12が形成されて
おり、そのクラッド層12の中に形成された2本の石英
系ガラスコア部が2本の光導波路4,5を構成してい
る。これら2本の石英系ガラス光導波路4,5はエバネ
ッセント結合するように近接して、結合比50%の方向
性結合器2,3を形成している。
さ50μmの石英系ガラスクラッド層12が形成されて
おり、そのクラッド層12の中に形成された2本の石英
系ガラスコア部が2本の光導波路4,5を構成してい
る。これら2本の石英系ガラス光導波路4,5はエバネ
ッセント結合するように近接して、結合比50%の方向
性結合器2,3を形成している。
光導波路4,5の断面寸法は約6μm×6μmに設定さ
れており、クラッド層12との比屈折率差は0.75%
である。また、光導波路4,5の曲線部は5mm程度の曲
率半径をもって構成されている。このような石英系単一
モード光導波路は、SiCl4,TiCl4等の原料ガ
スの火炎加水分解反応によるガラス膜の堆積技術と反応
性イオンエッチング技術との組み合わせによる周知の方
法で作製できる。応力調節溝21a,21bは光導波路
4のコア部の両側のクラッド層12の一部を反応性イオ
ンエッチングにより除去することにより形成されてい
る。したがって、導波路4の両側に形成した応力調節溝
21a、21bは、導波路4が基板1から受けている導
波路幅方向の圧縮応力を緩和すする働きがある。応力調
節溝21a、21b形成領域の光導波路4の長さをl
12とすると、前記式(1)で与えられた偏光方向に依
存する2本の光導波路の光路長差Rは次式のようにな
る。
れており、クラッド層12との比屈折率差は0.75%
である。また、光導波路4,5の曲線部は5mm程度の曲
率半径をもって構成されている。このような石英系単一
モード光導波路は、SiCl4,TiCl4等の原料ガ
スの火炎加水分解反応によるガラス膜の堆積技術と反応
性イオンエッチング技術との組み合わせによる周知の方
法で作製できる。応力調節溝21a,21bは光導波路
4のコア部の両側のクラッド層12の一部を反応性イオ
ンエッチングにより除去することにより形成されてい
る。したがって、導波路4の両側に形成した応力調節溝
21a、21bは、導波路4が基板1から受けている導
波路幅方向の圧縮応力を緩和すする働きがある。応力調
節溝21a、21b形成領域の光導波路4の長さをl
12とすると、前記式(1)で与えられた偏光方向に依
存する2本の光導波路の光路長差Rは次式のようにな
る。
R=B・ΔL−(B−B*)l12 …(2) 式中、ΔLは2本の光導波路の長さの差であり、本実施
例ではΔL=10mmとした。また、Bは応力調節溝21
a、21b未形成領域の光導波路4の複屈折値であり、
本実施例ではB≒4×10−4であった。また、B*は
応力調節溝21a、21b形成領域の光導波路4の複屈
折値である。B*は応力調節溝21a、21bによって
はさまれたクラッド層の幅W(第1図(b)参照)によっ
て規定され、ここではW≒150μmと選ぶことによ
り、複屈折値を半分に減少させ、B≒2×10−4とし
た(一般にB*はWの減少とともに減少する)。
例ではΔL=10mmとした。また、Bは応力調節溝21
a、21b未形成領域の光導波路4の複屈折値であり、
本実施例ではB≒4×10−4であった。また、B*は
応力調節溝21a、21b形成領域の光導波路4の複屈
折値である。B*は応力調節溝21a、21bによって
はさまれたクラッド層の幅W(第1図(b)参照)によっ
て規定され、ここではW≒150μmと選ぶことによ
り、複屈折値を半分に減少させ、B≒2×10−4とし
た(一般にB*はWの減少とともに減少する)。
前記したようにRを波長λの整数倍になるよう光干渉計
の複屈折構造を設計すれば、入射偏波依存性を解消でき
るが、本実施例ではB≒4×10−4,B*≒2×10
−4,ΔL≒10mm=104μmに対応してl12≒1
2.3mmと設定すると、前記(2)式よりR≒1.55
μm、すなわち使用光波長の1倍にRを調節することが
できる。
の複屈折構造を設計すれば、入射偏波依存性を解消でき
るが、本実施例ではB≒4×10−4,B*≒2×10
−4,ΔL≒10mm=104μmに対応してl12≒1
2.3mmと設定すると、前記(2)式よりR≒1.55
μm、すなわち使用光波長の1倍にRを調節することが
できる。
実際、上記の数値例をもって構成されたマッハ・ツェン
ダ光干渉計は、光周波数多重通信用合分波器として、入
射信号光の偏波方向に依らず安定な動作を示すことを確
認した。
ダ光干渉計は、光周波数多重通信用合分波器として、入
射信号光の偏波方向に依らず安定な動作を示すことを確
認した。
なお、本発明は上記のB*とl12の組み合わせに限定
されるものでなく、式(1)あるいは式(2)を満足す
る範囲で種々の組み合わせがあることはもちろんであ
る。例えば、Wを90μm程度に設定すると、B*≒1
×10−4となるが、この場合l12≒13.3mmと設
定して、R≒0すなわち使用光波長の零倍にRを調節し
て偏光依存性を解消することも可能である。
されるものでなく、式(1)あるいは式(2)を満足す
る範囲で種々の組み合わせがあることはもちろんであ
る。例えば、Wを90μm程度に設定すると、B*≒1
×10−4となるが、この場合l12≒13.3mmと設
定して、R≒0すなわち使用光波長の零倍にRを調節し
て偏光依存性を解消することも可能である。
〔実施例2〕 第2図は本発明の第2の実施例を示す説明図であり、実
施例1と同様、シリコン基板1上に石英系単一モード光
導波路4,5で方向性結合器2,3を連結した非対称形
のマッハ・ツェンダ光干渉計(光路長差ΔL≒5mm)が
構成されている。実施例1とは逆に短かい方の光導波路
5に沿って、その一部に長さl21にわたって応力調節
溝21a,21bが形成されている。この場合、前記
(1)式で与えられたRは次式のように表わされる。
施例1と同様、シリコン基板1上に石英系単一モード光
導波路4,5で方向性結合器2,3を連結した非対称形
のマッハ・ツェンダ光干渉計(光路長差ΔL≒5mm)が
構成されている。実施例1とは逆に短かい方の光導波路
5に沿って、その一部に長さl21にわたって応力調節
溝21a,21bが形成されている。この場合、前記
(1)式で与えられたRは次式のように表わされる。
R=B・ΔL+(B−B*)l21 …(3) そこで、ΔL≒5mm,B≒4×10−4,B*≒2×1
0−4,l21=5.5mmと設定することにより、R≒
3.1μm=1.55μm×2 すなわち、Rを波長1.55μmの2倍調節して、やは
りマッハ・ツェンダ光干渉計の偏波依存性を実効上解消
することができた。
0−4,l21=5.5mmと設定することにより、R≒
3.1μm=1.55μm×2 すなわち、Rを波長1.55μmの2倍調節して、やは
りマッハ・ツェンダ光干渉計の偏波依存性を実効上解消
することができた。
なお、実施例1,実施例2のいずれの場合も、薄膜ヒー
タ移相器6は、2本の光導波路の光路長差を信号光の光
周波数値に合わせて1波長程度変化させ、マッハ・ツェ
ンダ光干渉計の周波数分離周期を信号光の周波数値に同
調させる目的のものであるから、光導波路5上に設ける
かわりに光導波路4上に設けてもよい。
タ移相器6は、2本の光導波路の光路長差を信号光の光
周波数値に合わせて1波長程度変化させ、マッハ・ツェ
ンダ光干渉計の周波数分離周期を信号光の周波数値に同
調させる目的のものであるから、光導波路5上に設ける
かわりに光導波路4上に設けてもよい。
また、薄膜ヒータ移相器6は、熱光学効果原理に基づく
もので、その移相作用は、等方的、すなわちTE波、T
M波いずれにも同等に働くので、偏波依存性が移相器6
において発生する懸念はないことを付記する。
もので、その移相作用は、等方的、すなわちTE波、T
M波いずれにも同等に働くので、偏波依存性が移相器6
において発生する懸念はないことを付記する。
さらにまた、上記実施例では、光干渉計を構成する光結
合器として方向性結合器を利用したが、方向性結合器の
代わりにY字形の分岐・合流器によりマッハ・ツェンダ
光干渉計を構成したものも本発明の範囲に含まれる。
合器として方向性結合器を利用したが、方向性結合器の
代わりにY字形の分岐・合流器によりマッハ・ツェンダ
光干渉計を構成したものも本発明の範囲に含まれる。
また、上記実施例では応力調節溝の深さはクラッド層の
厚さすべてとしているが、この深さはその中間の値でも
よく、溝の深さが深くなる程B*は減少する。
厚さすべてとしているが、この深さはその中間の値でも
よく、溝の深さが深くなる程B*は減少する。
以上説明したように、本発明では、非対称導波形マッハ
・ツェンダ光干渉計を構成する2本の単一モード光導波
路の複屈折値を特定長にわたって、応用調節溝の作用で
局所的に制御することにより、実効的に光干渉計の偏波
依存性を解消するもので、入射光の偏波方向に依存し
な、安定な光干渉計動作を実現できる利点がある。すな
わち、偏波面コントローラ等の余計な光学装置を用いる
ことなく光周波数多重回路や干渉計形光センサ回路等を
提供することができる。
・ツェンダ光干渉計を構成する2本の単一モード光導波
路の複屈折値を特定長にわたって、応用調節溝の作用で
局所的に制御することにより、実効的に光干渉計の偏波
依存性を解消するもので、入射光の偏波方向に依存し
な、安定な光干渉計動作を実現できる利点がある。すな
わち、偏波面コントローラ等の余計な光学装置を用いる
ことなく光周波数多重回路や干渉計形光センサ回路等を
提供することができる。
第1図は本発明の第1の実施例のマッハ・ツェンダ光干
渉計の構成図で、(a)は平面図、(b)は(a)図の
線分AA′における断面拡大図、第2図は本発明の第2
の実施例のマッハ・ツェンダ光干渉計の構成平面図、第
3図は従来のマッハ・ツェンダ光干渉計の構成図であ
る。 1……基板、1a,2a……入力ポート、1b,2b…
…出力ポート、2,3……方向性結合器、4,5……光
導波路、6……薄膜ヒータ移相器、21a,21b……
応力調節溝。
渉計の構成図で、(a)は平面図、(b)は(a)図の
線分AA′における断面拡大図、第2図は本発明の第2
の実施例のマッハ・ツェンダ光干渉計の構成平面図、第
3図は従来のマッハ・ツェンダ光干渉計の構成図であ
る。 1……基板、1a,2a……入力ポート、1b,2b…
…出力ポート、2,3……方向性結合器、4,5……光
導波路、6……薄膜ヒータ移相器、21a,21b……
応力調節溝。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安 光保 茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162番 地 日本電信電話株式会社茨城電気通信研 究所内 (72)発明者 神宮寺 要 茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162番 地 日本電信電話株式会社茨城電気通信研 究所内 (56)参考文献 特開 昭61−80109(JP,A)
Claims (2)
- 【請求項1】2個の光結合器を長さの異なる2本の応力
複屈折性光導波路で連結してなるマッハ・ツェンダ光干
渉計において、それぞれの光導波路についてその導波路
複屈折Bを前記2個の光結合器間で線積分した値の差が
使用光波長λの整数倍にほぼ等しくなるように少なくと
も一方の光導波路に沿ってこの光導波路の両側に応力調
節溝を設けたことを特徴とする導波形マッハ・ツェンダ
光干渉計。 - 【請求項2】光導波路がシリコン基板上に形成されてな
る石英系ガラス単一モード光導波路であることを特徴と
する特許請求の範囲第1項記載の導波形マッハ・ツェン
ダ光干渉計。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29522686A JPH0660982B2 (ja) | 1986-12-11 | 1986-12-11 | 導波形マツハ・ツエンダ光干渉計 |
| US07/049,387 US4781424A (en) | 1986-07-28 | 1987-05-13 | Single mode channel optical waveguide with a stress-induced birefringence control region |
| CA000537436A CA1294161C (en) | 1986-07-28 | 1987-05-19 | Single mode optical waveguide |
| EP87306341A EP0255270B1 (en) | 1986-07-28 | 1987-07-17 | Single mode optical waveguide |
| DE87306341T DE3785105T2 (de) | 1986-07-28 | 1987-07-17 | Optischer Monomod-Wellenleiter. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29522686A JPH0660982B2 (ja) | 1986-12-11 | 1986-12-11 | 導波形マツハ・ツエンダ光干渉計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63147145A JPS63147145A (ja) | 1988-06-20 |
| JPH0660982B2 true JPH0660982B2 (ja) | 1994-08-10 |
Family
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1986
- 1986-12-11 JP JP29522686A patent/JPH0660982B2/ja not_active Expired - Lifetime
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